摘 要:某公司尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)入口管道在服役過程中發(fā)生泄漏,采用宏觀觀察、滲透檢測、 化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析等方法分析了其泄漏原因。結(jié)果表明:管外壁保溫 層中含氯離子,雨水的浸濕使管壁與導(dǎo)熱泥的縫隙中形成了潮濕環(huán)境,干濕交替環(huán)境導(dǎo)致氯離子在 管壁富集,引起管壁點腐蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。
關(guān)鍵詞:管道;點腐蝕;應(yīng)力腐蝕開裂;泄漏
中圖分類號:TB31;TB304;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0059-04
某公司尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)入口管道在投入運行 3周后發(fā)生泄漏。泄漏管道規(guī)格(外徑×壁厚)為 219.1mm×3.76mm,材料為304L不銹鋼,設(shè)計壓 力為0.18MPa,操作壓力為0.03MPa,設(shè)計溫度為 132℃,操作溫度為102℃。泄漏部位靠近主框架 二樓樓板西側(cè)邊緣部位,泄漏管段設(shè)有伴熱管,伴熱 管在上,主管道在下,兩管之間間距為50mm,且由 導(dǎo)熱泥填充,管外壁包覆有保溫層。經(jīng)外觀觀察,管 道支撐完好且安裝穩(wěn)固、無變形,但保溫層外圈鐵皮 搭接不良,存在翹曲、縫隙、保溫棉外露、密封不嚴(yán)等 情況。拆除管道保溫層和導(dǎo)熱泥后,發(fā)現(xiàn)漏點位于 保溫層翹曲部位,漏點處有微裂紋,裂紋沿管軸向分 布,周邊存在腐蝕坑,其余管段完好,未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑、 裂紋等缺陷。
筆者采用宏觀觀察、滲透檢測、化學(xué)成分分析、 金相檢驗、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對蒸 汽管道的泄漏原因進(jìn)行了分析,并提出了合理的預(yù) 防措施,以防止該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察及滲透檢測
在泄漏管段截取一段進(jìn)行分析,泄漏管段外壁 腐蝕坑較為密集,且坑內(nèi)充滿黑色垢物,腐蝕坑、裂 紋均位于導(dǎo)熱泥覆蓋區(qū)域,該部位與外層保溫鐵皮 搭接不良,存在翹曲;管內(nèi)壁呈灰色,無明顯氧化和 腐蝕的痕跡,且附著有少量灰色的粉末狀垢物,其為 管內(nèi)介質(zhì)中殘留的固體顆粒。泄漏管段斷口宏觀形 貌如圖1所示。對泄漏管段內(nèi)、外壁進(jìn)行滲透檢測, 結(jié)果如圖2所示。外壁腐蝕坑區(qū)域存在裂紋,裂紋 呈樹枝狀,存在較多細(xì)小的分支,并與腐蝕坑連接,裂紋主要呈縱向分布,與之對應(yīng)的內(nèi)壁部位僅存在 短小裂紋,裂紋呈斷續(xù)狀,且無腐蝕坑,由此可以判 斷,泄漏起源于管道外壁。測量壁厚后,發(fā)現(xiàn)泄漏區(qū) 域管壁未發(fā)生明顯減薄,管壁也無塑性變形。
1.2 化學(xué)成分分析
對泄漏管段的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果如表1 所示,由表1可知:該管段的化學(xué)成分符合 GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》 的要求。
1.3 金相檢驗
管道失效的形式以腐蝕和開裂為主,不銹鋼的 組織決定其耐腐蝕性和開裂敏感性,如敏化組織、形 變組織會降低材料的耐腐蝕性,增加其開裂敏感性。 在泄漏管道上截取試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下 觀察,結(jié)果如圖3所示。管段內(nèi)非金屬夾雜物呈鏈 狀分布,夾雜物級別為B1.0級,滿足技術(shù)要求;試樣 組織為奧氏體+析出相,析出相呈條帶狀、鏈狀,沿 管軋制方向分布,管壁組織正常。在裂紋部位截取 試樣,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,可見裂紋起源于 管外壁,呈樹枝狀向內(nèi)壁擴(kuò)展,并存在細(xì)小分叉,裂 紋附近呈“湖泊狀”形貌,這是由介質(zhì)在裂紋內(nèi)富集 并發(fā)生腐蝕所產(chǎn)生的。
1.4 掃描電鏡和能譜分析
斷口表面呈褐色,存在從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的條 紋,斷面粗糙,存在金屬小顆粒。對泄漏管段斷口試 樣進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖4所示,由圖4可 知:啟裂區(qū)呈發(fā)散狀,并向腐蝕坑集中,裂紋源為外 壁腐蝕坑;擴(kuò)展區(qū)和裂紋尖端均存在河流狀花樣,呈解理開裂特征,符合氯化物應(yīng)力腐蝕開裂特征[1-2]。
為了進(jìn)一步分析管道泄漏的原因,采用能譜儀 對外壁、裂紋面及內(nèi)壁垢物的成分進(jìn)行分析,結(jié)果如 圖5所示。由圖5可知:內(nèi)、外壁垢物中均含有硫元 素,而斷面垢物中無硫元素,說明硫元素在裂紋內(nèi)未 發(fā)生富集;內(nèi)壁垢物中未檢出氯元素,外壁和裂紋面 垢物中均存在氯元素,而且裂紋面垢物中氯元素的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.30%,外壁垢物中氯元素的質(zhì)量分 數(shù)為0.37%,說明氯離子來源于管外壁,且在裂紋 內(nèi)發(fā)生了富集。
泄漏點位于二樓樓板西側(cè)邊緣,管道投入使用 后,因保溫層密封不嚴(yán),雨水滲入保溫棉并在導(dǎo)熱泥 與管道接觸的縫隙部位聚集,形成潮濕環(huán)境,使管道 材料發(fā)生氯化物點腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂[3-4]。
2 綜合分析
2.1 裂紋形態(tài)及擴(kuò)展機(jī)制分析
裂紋起源于管外壁腐蝕坑,呈樹枝狀,沿壁厚方 向沿晶擴(kuò)展。裂紋面附近管壁無塑性變形,裂紋面 呈解理開裂特征,這些均是氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的 典型特征,且外壁垢物和裂紋面垢物中均檢測出氯 離子。不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂是材料、環(huán)境和應(yīng)力三 者相互作用的結(jié)果[5-6],不銹鋼表面有一層氧化膜, 對基體有一定的保護(hù)作用,但在氧化膜破損的情況 下,裸露的金屬基體與其周邊氧化膜的成分存在差 異,有電位差,在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕, 破損部位為陽極,鈍化膜為陰極,隨著時間的推移, 氧化膜破損部位就形成了宏觀腐蝕坑。氯離子在腐 蝕坑內(nèi)發(fā)生聚集,并引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致管道發(fā)生氯 化物應(yīng)力腐蝕開裂。
2.2 應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件
由泄漏管道內(nèi)壁和外壁、裂紋面垢物的能譜分 析結(jié)果可知,氯元素來自于管道外壁;管道外壁包覆有保溫棉,保溫棉和導(dǎo)熱泥均有可能富集氯離子。 采用滴定法對保溫棉和導(dǎo)熱泥中的氯離子含量進(jìn)行 測定,結(jié)果顯示:保溫棉中含有氯離子,而導(dǎo)熱泥中 未檢測出氯離子,說明管道外壁腐蝕坑內(nèi)、裂紋面中 的氯離子來源于管道外的保溫層。
水是引起氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件,在 沒有水時,保溫材料中的鹽類不能水解形成離子,不 銹鋼也不會發(fā)生點腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。
氧化膜的破裂和腐蝕坑內(nèi)裂紋的萌生、擴(kuò)展都 離不開應(yīng)力的作用,尤其是拉應(yīng)力。管道與地面平 行布置,正常運行時,管道主要承受環(huán)向應(yīng)力和軸向 應(yīng)力,經(jīng)計算,管內(nèi)壓力為0.03MPa(操作壓力)時, 管壁承受的環(huán)向拉應(yīng)力為0.8741MPa,軸向拉應(yīng) 力為0.4297MPa,環(huán)向拉應(yīng)力約為軸向拉應(yīng)力的2 倍,因此管道的開裂方向以軸向擴(kuò)展為主,這與宏觀 觀察和金相檢驗結(jié)果一致,裂紋擴(kuò)展方向與較大拉 應(yīng)力方向垂直。
在溫度較低的含氯環(huán)境下,304L不銹鋼主要發(fā) 生點腐蝕,溫度較高時(≥60 ℃)主要發(fā)生應(yīng)力開裂,且隨著溫度的升高,開裂敏感性越高。
3 結(jié)語與建議
管道外壁保溫層發(fā)生損壞,保溫棉中滲入雨水, 保溫棉中的氯離子在管壁表面富集,主管道與導(dǎo)熱 泥之間的縫隙中殘留的水分蒸發(fā)速率慢,形成閉塞 環(huán)境,雨天與晴天使管壁出現(xiàn)干濕交替,縫隙處的管 壁優(yōu)先發(fā)生點腐蝕,腐蝕坑底部易產(chǎn)生應(yīng)力集中,萌 生微裂紋。在潮濕及溫度不小于60℃的環(huán)境中,管 道在拉應(yīng)力作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂,這是導(dǎo)致 管道泄漏的主要原因。建議采用以下方法預(yù)防管道 泄漏。
(1)盡量選擇不含氯離子的保溫棉,從源頭上 杜絕氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。
(2)在管道投入使用前,對其進(jìn)行全面檢驗,包 括保溫層是否完好,管道是否支撐牢固、可靠等,避 免管道承受不必要的外加應(yīng)力及可能出現(xiàn)的外來介 質(zhì)(如雨水、雪水及周邊設(shè)備噴出物)腐蝕,尤其需要 對平臺邊緣管道的保溫層進(jìn)行檢查,保證管道外部 環(huán)境的干燥和潔凈。
(3)后期檢驗時,可采用目視檢測、紅外熱成像 檢測對管道保溫層的完好狀況進(jìn)行檢查,必要時可先拆除保溫層,再對管道進(jìn)行全面檢驗[7-8]。
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